JP2016152396A - 処理液供給装置、処理液供給方法及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】処理液の供給を行いながら、処理液の物性や処理液供給部の特性に応じて処理液の流量調節機構を動作させる操作量を適切に調節する技術を提供する。【解決手段】基板Ｗに処理液を供給する処理液供給装置において、処理液供給部は、操作量に応じて処理液の流量を調節する流量調節機構４０２を介して基板Ｗへ向けて処理液を吐出供給し、流量検出部４０３は基板２に供給される処理液の流量を検出する。システム同定部１８１は、前記処理液供給部のシステムモデルに係るシステムパラメータの決定を行い、流量制御部１８２は前記システムパラメータを用いて流量調節機構の新しい操作量を決定する。【選択図】図３

Description

本発明は、処理が行われる基板に対して処理液を供給する技術に関する。

半導体ウエハなどの基板（以下、ウエハという）を水平に保持し、鉛直軸周りに回転させながら、種類の異なる処理液を、順次、切り替えて供給して、ウエハの処理を行う液処理工程が知られている。

前記液処理工程は、基板を保持する基板保持部や、処理液の供給を実行する処理液供給部を備えた処理ユニットによって実行される。そして、多数枚のウエハを収容したキャリアと処理ユニットとの間でウエハの搬送を実行する基板搬送装置と、複数の処理ユニットを設けた基板処理システムが知られている。

上述の処理ユニットにおいては、種類の異なる処理液を切り替えて供給可能なように、複数の処理液供給部が設けられる。さらに基板処理システムには、この処理ユニットが複数台設けられるので、基板処理システム内には多数の処理液供給部が設けられる。

処理液供給部には、処理液の流量を調節する流量調節弁などの流量調節機構が設けられる。そして、各処理液供給部からの処理液の供給量を正確に調節するためには、処理液の供給圧や粘度、及び流量調節弁の流量特性や、前後の圧力損失など、処理液供給部の特性に応じた、弁体に対する適切な開度を設定しなければならない。

例えば自動制御によって、目標とする供給量に対して処理液の流量を精度よく追随させるためには、弁体の開度（操作量）と処理液の流量との対応関係などによって制御パラメータを調整する必要がある。したがって、複数種類の処理液の供給を行う処理ユニットにおいては、密度や粘度などの物性差が大きい処理液に関しては、個別に処理液供給部の制御パラメータを調整しなければならない。また制御パラメータは、処理液の供給流量範囲によって適正値が変わる場合があるので、ウエハの処理レシピを変更する場合などにも調整操作が発生する場合がある。さらに、制御パラメータの最適値は、処理液供給部の特性にも依存するため、同種の処理液、及び処理レシピを用いる場合であっても処理ユニット毎に異なる調整が必要となる。このため、複数の処理ユニットを備えた基板処理システム全体では、制御パラメータの調整に必要な工数が膨大となってしまう。

ここで引用文献１には、ニードルバルブの開度に応じて処理液の供給流量を変化させる基板処理装置において、処理液供給配管を流通する処理液の流量を記憶しておく技術が記載されている。当該文献によれば、処理条件や処理液の供給流量が設定されると、この設定結果に応じてニードルバルブの開度を予め調節しておくことにより、処理液の供給当初から適切な流量設定が行われる旨、主張されている。

しかしながら引用文献１に記載の技術は、ニードルバルブの位置と供給流量との対応関係を、設定流量毎に予め把握しておかなければならない。このため、処理レシピなどの変更の度に前記対応関係を把握する操作が必要となる点において問題を有している。

特開２０１０−１２３７０９号公報：請求項２〜４、段落００１５〜００２１

本発明は、処理液の供給を行いながら、処理液の物性や処理液供給部の特性に応じて処理液の流量調節機構を動作させる操作量を適切に調節する技術を提供することにある。

本発明の処理液供給措置は、基板保持部に水平に保持され、鉛直軸周りに回転する処理対象の基板に対して処理液を供給する処理液供給装置において、
操作量に応じて動作が調節されることにより、前記処理液を貯留する処理液貯留部から供給される処理液の流量を調節する流量調節機構と、前記流量調節機構にて流量調節された処理液を前記基板保持部に保持された基板へ向けて吐出する供給ノズルと、を備えた処理液供給部と、
前記供給ノズルに供給される処理液の流量を検出する流量検出部と、
前記操作量の時系列サンプル値、及び前記流量検出部にて検出された流量の時系列サンプル値に対し、各々システムパラメータを乗じて得られた乗算値の和に基づいて、前記供給ノズルから供給される処理液の推算流量を得るシステムモデルを同定するために、前記システムパラメータの決定を行うシステム同定部と、
前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータを用いて新しい前記操作量を決定し、決定された操作量を前記流量調節機構へ出力する流量制御部と、を備えたことを特徴とする。

前記処理液供給装置は、下記の構成を備えていてもよい。
（ａ）前記流量制御部は、前記供給ノズルから吐出される処理液の目標流量と、前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータとに基づいて前記操作量を決定すること。このとき、前記基板保持部には、異なる基板が入れ替わりに保持され、前記流量制御部は、先の基板と入れ替えて前記基板保持部に保持された次の基板に対して処理液の供給を開始する際に、前記先の基板への処理液の供給を停止する際に決定された前記システムパラメータを利用して前記操作量を決定すること。
（ｂ）前記流量制御部は、前記供給ノズルから供給される処理液の流量の目標流量と、前記流量検出部にて検出された処理液の流量との差分値に基づいて、ＰＩＤ制御により前記操作量を決定し、前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータを用いて前記ＰＩＤ制御の制御パラメータを決定すること。このとき、前記流量制御部は、前記流量検出部にて検出された処理液の流量が予め設定した変動範囲を超えて変動した場合に、当該流量に替えて、前記変動が検出される前に決定されたシステムパラメータを用いて得られた前記推算流量から前記差分値を算出し、この差分値に基づいて前記操作量を決定すること。
（ｃ）前記流量調節機構は、弁体の開度に応じて処理液の流量を増減する流量調節弁であること。

本発明は、処理液の物性や処理液供給部の特性が与える影響がシステムモデルを介して把握され、その結果に基づいて操作量を決定する。このため、処理液の物性や処理液供給部の特性が変化した場合であっても、処理液の供給を行いながら適切な流量調節を実行することができる。

本発明の実施の形態に係る処理ユニットを備えた基板処理システムの概要を示す平面図である。 前記処理ユニットの概要を示す縦断側面図である。 前記処理ユニットに設けられた処理液供給部、及びその制御機構を示すブロック図である。 ウエハに処理液を供給する処理の流れを示すフロー図である。 処理液供給部の動作を示す第１のタイムチャートである。 処理液供給部の動作を示す第２のタイムチャートである。 目標流量ｒが変更された後の処理液供給部の動作を示すタイムチャートである。 前記処理液供給部の他の実施形態を示す説明図である。

図１は、本実施形態に係る基板処理システムの概略構成を示す図である。以下では、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする。

図１に示すように、基板処理システム１は、搬入出ステーション２と、処理ステーション３とを備える。搬入出ステーション２と処理ステーション３とは隣接して設けられる。

搬入出ステーション２は、キャリア載置部１１と、搬送部１２とを備える。キャリア載置部１１には、複数枚の基板、本実施形態では半導体ウエハ（以下ウエハＷ）を水平状態で収容する複数のキャリアＣが載置される。

搬送部１２は、キャリア載置部１１に隣接して設けられ、内部に基板搬送装置１３と、受渡部１４とを備える。基板搬送装置１３は、ウエハＷを保持するウエハ保持機構を備える。また、基板搬送装置１３は、水平方向および鉛直方向への移動ならびに鉛直軸を中心とする旋回が可能であり、ウエハ保持機構を用いてキャリアＣと受渡部１４との間でウエハＷの搬送を行う。

処理ステーション３は、搬送部１２に隣接して設けられる。処理ステーション３は、搬送部１５と、複数の処理ユニット１６とを備える。複数の処理ユニット１６は、搬送部１５の両側に並べて設けられる。

搬送部１５は、内部に基板搬送装置１７を備える。基板搬送装置１７は、ウエハＷを保持するウエハ保持機構を備える。また、基板搬送装置１７は、水平方向および鉛直方向への移動ならびに鉛直軸を中心とする旋回が可能であり、ウエハ保持機構を用いて受渡部１４と処理ユニット１６との間でウエハＷの搬送を行う。

処理ユニット１６は、基板搬送装置１７によって搬送されるウエハＷに対して所定の基板処理を行う。

また、基板処理システム１は、制御装置４を備える。制御装置４は、たとえばコンピュータであり、制御部１８と記憶部１９とを備える。記憶部１９には、基板処理システム１において実行される各種の処理を制御するプログラムが格納される。制御部１８は、記憶部１９に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって基板処理システム１の動作を制御する。

なお、かかるプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御装置４の記憶部１９にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体としては、たとえばハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルディスク（ＭＯ）、メモリカードなどがある。

上記のように構成された基板処理システム１では、まず、搬入出ステーション２の基板搬送装置１３が、キャリア載置部１１に載置されたキャリアＣからウエハＷを取り出し、取り出したウエハＷを受渡部１４に載置する。受渡部１４に載置されたウエハＷは、処理ステーション３の基板搬送装置１７によって受渡部１４から取り出されて、処理ユニット１６へ搬入される。

処理ユニット１６へ搬入されたウエハＷは、処理ユニット１６によって処理された後、基板搬送装置１７によって処理ユニット１６から搬出されて、受渡部１４に載置される。そして、受渡部１４に載置された処理済のウエハＷは、基板搬送装置１３によってキャリア載置部１１のキャリアＣへ戻される。

図２に示すように、処理ユニット１６は、チャンバ２０と、基板保持機構３０と、処理流体供給部４０と、回収カップ５０とを備える。

チャンバ２０は、基板保持機構３０と処理流体供給部４０と回収カップ５０とを収容する。チャンバ２０の天井部には、ＦＦＵ（Fan Filter Unit）２１が設けられる。ＦＦＵ２１は、チャンバ２０内にダウンフローを形成する。

基板保持機構３０は、保持部３１と、支柱部３２と、駆動部３３とを備える。保持部３１は、ウエハＷを水平に保持する。支柱部３２は、鉛直方向に延在する部材であり、基端部が駆動部３３によって回転可能に支持され、先端部において保持部３１を水平に支持する。駆動部３３は、支柱部３２を鉛直軸まわりに回転させる。かかる基板保持機構３０は、駆動部３３を用いて支柱部３２を回転させることによって支柱部３２に支持された保持部３１を回転させ、これにより、保持部３１に保持されたウエハＷを回転させる。

処理流体供給部４０は、ウエハＷに対して処理流体を供給する。処理流体供給部４０は、処理流体供給源７０に接続される。

回収カップ５０は、保持部３１を取り囲むように配置され、保持部３１の回転によってウエハＷから飛散する処理液を捕集する。回収カップ５０の底部には、排液口５１が形成されており、回収カップ５０によって捕集された処理液は、かかる排液口５１から処理ユニット１６の外部へ排出される。また、回収カップ５０の底部には、ＦＦＵ２１から供給される気体を処理ユニット１６の外部へ排出する排気口５２が形成される。

本実施の形態において、各処理ユニット１６の処理流体供給部４０は、基板保持機構（基板保持部）３０に保持されたウエハＷに処理流体である処理液を供給する処理液供給装置を構成している。この処理液供給装置は、処理液の供給を実行しながら、処理液の種類や供給条件、機器の特性などが処理液の流量調節に与える影響を把握し、その結果に基づいて流量を調節する機能を備えている。
以下、図３を参照しながら処理液供給装置の構成について説明する。

図３に示すように、各処理ユニット１６の処理流体供給部４０は、基板保持機構３０に保持されたウエハＷに対して処理液を吐出する供給ノズル４１と、この供給ノズル４１に接続され、処理液の供給、停止動作や流量調節を実行する処理液供給ユニット４００とを備える。これら供給ノズル４１及び処理液供給ユニット４００は、本実施の形態の処理液供給部を構成する。各処理ユニット１６には、処理液の種類毎に処理液供給部が設けられている。

例えば処理液供給ユニット４００は、供給ノズル４１への処理液の給断を実行する開閉弁４０１と、処理液の流量調節を実行する流量調節弁４０２と、供給ノズル４１に供給される処理液の流量を検出する流量検出部である流量計４０３と、流量計４０３への処理液の給断を実行する開閉弁４０４とが下流側からこの順に設けられている。さらに開閉弁４０４は、複数の処理ユニット１６に対して共通に設けられた処理液供給源７０１（図２に示す処理流体供給源７０に相当する）に接続されている。

処理液供給ユニット４００に設けられた流量調節弁４０２は、本実施の形態の流量調節機構に相当し、不図示の弁体を備える。当該弁体は、外部から入力されるバルブ開度（操作量）を示す信号に基づき、全閉状態（開度０％）と全開状態（開度１００％）との間で開閉する。

ここで上述の処理液供給部（処理液供給ユニット４００及び供給ノズル４１）を１つの線形システムと捉え、このシステムに入力される操作量をｕ（ｔ）、供給ノズル４１から吐出される処理液の流量をｘ（ｔ）、流量計４０３にて検出される処理液の流量をｙ（ｔ）とする。

この場合に、過去のｉ時点（ｉ＝１〜ｎ）までの操作量の時系列サンプル値ｕ（ｔ−ｉ）、及び供給ノズル４１から吐出される流量の時系列サンプル値ｘ（ｔ−ｉ）を用いて、現在の流量ｘ（ｔ）は、以下の（１）、（２）式で推算することができる。

ここでａ_ｉ、ｂ_ｉは、上記（１）、（２）式で表されるシステムモデルのシステムパラメータであり、ｖ（ｔ）は、平均値がゼロの離散値確率雑音である。

雑音ｖの変動幅が十分に小さい場合は、供給ノズル４１から吐出される処理液の流量ｘに替えて、流量計４０３にて検出された処理液の検出流量ｙを用いることができる。従って（１）式のシステムモデルは、操作量の時系列サンプル値ｕ（ｔ−ｉ）、及び検出流量の時系列サンプル値ｙ（ｔ−ｉ）に対し、各々システムパラメータａ_ｉ、ｂ_ｉを乗じて得られた乗算値の和で表すことができると言える。

これを言い替えると、検出流量の時系列サンプル値ｙ（ｔ−ｉ）と、操作量の時系列サンプル値ｕ（ｔ−ｉ）とを用いて、システムパラメータａ_ｉ、ｂ_ｉを求めることができれば、現在からｉ時点過去までの処理液供給部の状態や処理液の種類や供給条件を踏まえて処理液の供給流量ｘを推算することが可能となる。

そこで図３に示すように、本例の処理液供給装置は、流量調節弁４０２に入力される操作量ｕ（弁体の開度）と、流量計４０３にて検出された検出流量ｙとを取得し、（１）式に示すシステムモデルのシステムパラメータを決定するシステム同定部１８１を備えている。

ここで入力信号（本例では流量調節弁４０２の操作量（開度））、及び出力信号ｘ（本例では流量計４０３の検出流量ｙ）の時系列サンプル値を用い、（１）式で表されたシステムモデルにおけるシステムパラメータの決定は、システム同定と呼ばれ、その手法は一般的に知られている。
システムパラメータを決定するアルゴリズムは、例えば最小二乗法や補助変数法などが挙げられる（例えば足立修一著、『システム同定の基礎』東京電機大学出版局（2009年度出版）参照）

例えばシステム同定部１８１は、ｉ時点過去までの操作量ｕ、処理液の検出流量ｙの時系列サンプル値を順次、書き替えて記録する不図示のレジスタを備え、これら時系列サンプル値に基づいてシステムパラメータａ_ｉ、ｂ_ｉを決定する。時系列サンプル数ｎは、例えば統計的手法などに基づいて決めることができる。時系列サンプル数が多くなる程、精度の高いシステムモデルを構築できる一方で、時系列サンプル数の増加に伴ってシステムパラメータを決定する際の計算量や必要なレジスタの容量が大きくなる。このため、本例のシステム同定部１８１では、ｎ＝２〜４程度の範囲内の所定の時系列サンプル数が採用されている。
例えばシステム同定部１８１は、数十ミリ秒〜数百ミリ秒間隔でシステムパラメータを決定し、その結果を出力する。

図３に示すように、システム同定部１８１にて決定されたシステムパラメータは、流量調節弁４０２の操作量の決定を行う流量制御部１８２に入力される。
本例流量制御部１８２は、（１）システム同定部１８１から取得したシステムパラメータを用いたウエハＷの処理開始時における流量調節弁４０２の開度設定、（２）ウエハＷに処理液を供給している期間中の流量調節、及び（３）流量計４０３に異常が発生したときの処理液の流量推定を実行する。

初めに、前記（１）の機能について説明する。
図１、図２を用いて説明したように、本例の基板処理システム１においては、複数枚のウエハＷを収容したキャリアＣから、順次、ウエハＷを取り出し、このウエハＷを各処理ユニット１６に搬入して処理液による処理を実行する。従って、各処理ユニット１６においては、処理対象のウエハＷが基板保持機構３０に入れ替わりに保持され、各ウエハＷに供給された処理液の積算量が互いに同じになるように、目標流量ｒにて所定時間だけ処理液が供給される

しかしながら、処理液供給ユニット４００（流量調節弁４０２）による流量調節が速やかに安定しないと、例えば後述する図６に示すように、処理液の供給を開始してから停止するまでの供給時間が長くなってしまう。
そこで本例の流量制御部１８２は、新たに基板保持機構３０に保持されたウエハＷの処理を開始する際に、先のウエハＷへの処理液の供給を停止する際に用いたシステムパラメータを利用して、操作量ｕ（流量調節弁４０２の開度）を決定する。

例えば簡単のため、ｎ＝２の場合について（１）式のシステムモデルを具体的に記載すると、下記（３）式で表される。

この場合において、処理液が全ての時点で、目標流量ｒにて十分に安定した状態で供給されている場合を考える。この場合には、ｘ（ｔ）＝ｘ（ｔ−１）＝ｘ（ｔ−２）＝ｒとなる。また、時刻ｔ−１、ｔ−２時点での流量調節弁４０２の開度をＭＶとすると（３）式は下記（４）式で表される。

上記（４）式をＭＶについて整理した結果が下記（５）式である。

ここで、「ＭＶ」は処理液が目標流量ｒで安定する際の流量調節弁４０２の開度の操作量ｕであるから、次のウエハＷの処理を開始する際に、この操作量を設定すれば、処理液をゼロから目標流量ｒへ自然に遷移できることになる。

実際の装置では、操作信号の伝達や機器の応答、処理液中の圧力伝播などの遅延によって、処理液の流量がゼロから上昇開始するまでにはある程度の時間がかかる。しかしながら、流量調節弁４０２の開度を予め前記操作量分だけ開いておき、この状態で処理液の供給を開始することで、処理液の流量が目標流量ｒに到達するまでの時間を短縮することができる。

以上に説明した考え方に基づき、流量制御部１８２は、システム同定部１８１から取得したシステムパラメータを記録するレジスタを備え、先のウエハＷの処理の終了時に取得したシステムパラメータを利用し、下記（５）’式に基づいて次のウエハＷの処理開始時の操作量ｕ（流量調節弁４０２の開度ＭＶ_ｉｎｉ）を決定する。

なお、（３）〜（５）式を用いて説明したケースは、ＭＶ_ｉｎｉを導出する手法を説明するための仮想的なケースである。また、実際に処理液の供給条件や処理液供給ユニット４００の機器の特性に大きな変化がなければ、システムパラメータの値は大きく変化しない。従って、実際には、先のウエハＷの処理が終了する際に流量制御部１８２が記録するシステムパラメータは、処理液が目標流量ｒにて安定した状態で流れている時刻に決定したものでなくてもよい。

また例えば、処理レシピの変更の前後において目標流量ｒが変更される場合であっても、目標流量ｒに応じた操作量によって、流量調節弁４０２を予め開いた状態で処理液の供給を開始することにより、流量調節弁４０２を閉じた状態で処理液の供給を開始する場合に比べて、処理液の流量が安定するまでの時間を短縮する効果が見込まれる。

次に、前記（２）の機能について説明する。
本例の処理液供給装置においては、加算部１８３にて、処理液の目標流量ｒと流量計４０３にて検出された検出流量ｙとの差分値Δｙ（ｔ）＝ｒ−ｙ（ｔ）が算出され、この差分値が流量制御部１８２に入力される。例えば流量制御部１８２は、前記差分値に基づき、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御により操作量を決定する。

より詳細にはＰＩＤ制御は、例えば下記（６）式に基づいて、前記差分値Δｙがゼロに近づくように操作量の変化幅Δｕ（ｔ）を決定する

ここで比例ゲインＫ_ｐや積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_ｄ（以下、これらの値をまとめてＰＩＤ制御の「制御パラメータ」という）の算出にあたっては、むだ時間や処理液供給部の１次遅れの時定数を決定する必要がある。

既述の（１）式で表されるシステムモデルからは、これらむだ時間や１次遅れを決定できないので、下記（７）式を用いて処理液供給部の応答関係を表現し直す。（７）式は、流量が安定した状態において、ｘ（ｔ−i）、ｕ（ｔ−ｉ）は一定なので、（１）式をそれぞれｘ（ｔ−１）、ｕ（ｔ−Ｌ）にまとめることによって得られる。

ここで、右辺第２項中のＬはむだ時間であり、流量制御部１８２から取得したｂ_ｉのうち、値が最大となるｉを無駄時間Ｌとする。

処理液供給部の応答を（７）式で表したとき、この系の１遅れの時定数Ｔ、ゲインＫは、各々、下記（８）、（９）式で表される。

以上に説明した手法により、むだ時間Ｌ、１次遅れの時定数Ｔ、ゲインＫが決定されたら、Ziegler-Nichols法（下記（１０）式）や１／４減衰法（下記（１１）式）などの公知の手法を用いてＰＩＤ制御の制御パラメータを決定することができる。

流量制御部１８２は、制御終了時に（７）式〜（１１）式を用いて説明した手法にて制御パラメータを決定する（（１１）式を採用する場合は、Ｋ_ｐ、Ｔ_ｉ、Ｔ_ｄに替えて、Ｋ’_ｐ、Ｔ’_ｉ、Ｔ’_ｄが（６）式の計算に用いられる）。
なお、当該制御パラメータについても最新の値が流量制御部１８２のレジスタ内に記録され、例えば新たなウエハＷの処理を開始する際に用いられる。
そして、この制御パラメータに基づいて（６）式から操作量ｕ（ｕ（ｔ）＝ｕ（ｔ−１）＋Δｕ（ｔ））を求め、流量調節弁４０２に対して出力することにより、処理液の流量調節を実行する。

最後に（３）の機能について説明する。
システム同定部１８１や加算部１８３に検出流量ｙを出力する流量計４０３は、処理液流に含まれる気泡が通過するいわゆる「泡噛み」等により、異常値が出力される場合がある。この場合に当該異常値に基づいて、ＰＩＤ制御を実行すると、処理レシピ通りに処理液を供給することができず、正しい処理が実施されないおそれがある。

一方で、（１）式に基づいて算出した処理液推算流量は、短期的には供給ノズル４１から吐出される処理液の流量と一致していると考えてよい。そこで、流量制御部１８２は、流量計４０３から取得する検出流量ｙを監視し、その値が予め設定した変動範囲を超えて変動した場合には、検出流量ｙを使用したＰＩＤ制御の制御パラメータを決定する動作を停止する。

さらに、流量制御部１８２は、検出流量ｙが変動範囲を超える前（例えば直前）に取得したシステムパラメータａ_ｉ、ｂ_ｉを利用して（１）式に基づき処理液の推算流量を計算し、この推算流量を用いて操作量ｕを算出する動作を実行する（以下、「例外処理」という）。このとき流量制御部１８２は、（１）式のシステムモデルを仮想的な流量計として用いていることとなる。

さらに流量制御部１８２は、検出流量ｙが変動範囲を超えている状態が所定時間以上、継続しない場合は、ＰＩＤ制御を継続し、検出流量ｙが変動範囲を超えている状態が所定時間以上、継続した場合には、異常の原因が泡噛みではなく機構の故障等である可能性が高いので、処理液の供給を停止し、制御装置４を介してユーザーにアラームを発報する。

以上に説明したシステム同定部１８１、流量制御部１８２、加算部１８３は、基板処理システム１の制御装置４の制御部１８内に設けてもよい。また、各処理ユニット１６、または複数台の処理ユニット１６毎に処理液供給装置用のコンピュータを設け、当該コンピュータにこれらの機能を持たせてもよい。このとき、上述の手法によって処理液の流量を調節する手法は、プログラムとして制御装置４の記憶部１９や処理液供給装置用のコンピュータの記憶部に格納され、コンピュータにインストールされる。これら記憶部は、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体として構成される。

以下、図４のフロー図、及び図５、図６のタイムチャートを参照しながら上述の処理液供給装置の動作について説明する。
なお、図５〜図７の各タイムチャートにおいて、最上段のチャート（ａ）は、流量制御部１８２から出力される操作量ｕ（流量調節弁４０２の開度）の時間変化を示し、中段のチャート（ｂ）は、処理液の給断を実行する開閉弁４０１、４０４の開閉状態の変化を示している。また、下段のチャート（ｃ）は、流量計４０３の検出流量の時間変化を示している。

初めに、新たな処理対象のウエハＷが基板保持機構３０に保持されると（スタート）、流量制御部１８２は、先のウエハＷの処理を終了する際に算出した制御パラメータをレジスタから読み込む（ステップＳ１０１）。さらに流量制御部１８２は、同様に先のウエハＷの処理の際に算出したシステムパラメータをレジスタから読み込む（ステップＳ１０２）。

そして流量制御部１８２は、読み込んだシステムパラメータを利用して、（５）’式に基づき流量調節弁４０２の初期操作量（流量調節弁４０２の開度ＭＶ_ｉｎｉ）を算出し、流量調節弁４０２に出力する（ステップＳ１０３）。この結果、図５（ａ）の時刻ｔ_０に示すように流量調節弁４０２の開度がＭＶ_ｉｎｉに調節される。一方で開閉弁４０１、４０４は閉止状態のままなので、供給ノズル４１からウエハＷへの処理液の供給は開始されない。

しかる後、ウエハＷの処理を開始する時刻ｔ_１となったら、図５（ｂ）に示すように開閉弁４０１、４０４を開き、処理液の供給を開始する。この結果、処理液供給ユニット４００内を処理液が流れはじめ、流量計４０３からは処理液の検出流量が出力される（図５（ｃ）の時刻ｔ_１）。その後、流量計４０３の検出流量ｙは急激に上昇し、むだ時間経過後の時刻ｔ_２では、当該検出流量ｙが目標流量ｒの近傍まで上昇する。このタイミングにて流量制御部１８２は、先に読み込んだ制御パラメータを用いたＰＩＤ制御を開始する（図４のステップＳ１０４；ＹＥＳ）。そして流量計４０３の検出流量ｙが正常（既述の変動範囲内の値）であれば（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、システム同定部１８１は、この検出流量及び流量制御部１８２から取得した操作量ｕを用いてシステムパラメータを算出し、流量制御部１８２へ出力する（ステップＳ１０６）。

流量制御部１８２は、既述のステップＳ１０１で読み込んだ制御パラメータ、即ち（７）〜（１１）式を用いて説明した手法により決定された比例ゲインＫ_ｐや積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_ｄを用いて（６）式から操作量ｕを求め、その結果を流量調節弁４０２、システム同定部１８１へ出力する（ステップＳ１０７）。なおこのとき、システム同定部１８１から出力される最新のシステムパラメータを利用し、その都度、（７）〜（１１）式を用いた計算を行って制御パラメータを更新し、更新された制御パラメータに基づき操作量ｕを求める構成としてもよい。

上述の動作の結果、流量調節弁４０２においては、開閉弁４０１、４０４を開き、むだ時間が経過した後の時刻ｔ_２のタイミングにて流量調節弁４０２による流量調節が開始される。このとき、初期操作量が算出され、流量調節弁４０２の開度が予めＭＶ_ｉｎｉに調節されているので、開閉弁４０１、４０４を開いた直後から、目標流量ｒに近い流量の処理液が流れ初める。流量制御部１８２は、目標流量ｒに近い流量で流れる処理液をＰＩＤ制御により流量調節するので、比較的短い時間で検出流量を目標流量ｒの近傍で安定させることができる。

これに対して図６は、流量調節弁４０２の初期開度調整を行わなかった場合のタイムチャートを示している。この場合には、開閉弁４０１、４０４を開いても流量調節弁４０２が閉じた状態となっているので、処理液は直ちには流れない（検出流量ｙは検出されない）。そして、むだ時間が経過した後の時刻ｔ_２のタイミングにて、ＰＩＤ制御により徐々に流量調節弁４０２が開きはじめ、目標流量ｒに向けて流量調節が実行される。

しかしながら、流量調節弁４０２が閉じられた状態から流量調節を行う場合には、処理液が流れ初めた際の流量と目標流量ｒとの差が大きいので、流量が安定するまでにはある程度の時間を要し、またそれを短縮しようとすれば、流量調節の際に検出流量ｙが目標流量ｒを一時的に超えるオーバーシュート幅が大きくなりがちである。このため、初期開度調整を行った図６の場合と比べて、検出流量が目標流量ｒの近傍で安定するまでの時間が長くなる。

この結果、ウエハＷに所定量の処理液（積算量）を供給するために必要な供給時間も長くなり、ウエハＷの処理時間が長くなる。
但し、初期開度調整を行わない図６の例においても、システム同定部１８１にて決定したシステムパラメータを用いて制御パラメータを決定し、この制御パラメータを利用して操作量ｕを決めることにより、処理液の供給状態の変化や処理液供給ユニット４００を構成する機器特性の変化などを踏まえ流量調節が行われるという効果は得られている。

図４の説明に戻ると、処理液供給装置は、数十ミリ秒〜数百ミリ秒間隔で上述の動作サイクル（ステップＳ１０４；ＹＥＳ〜Ｓ１０７）を繰り返す。
このとき、流量計４０３の検出流量ｙが変動範囲を超えて異常値となった場合には（ステップＳ１０５；ＮＯ）、当該異常値を用いて決定したシステムパラメータの利用を停止し、それ以前に取得したシステムパラメータを用いた推算流量の算出、制御パラメータの決定を行って処理液の供給を継続する例外処理を実行する（ステップＳ１０８）。

さらに上記動作サイクル（ステップＳ１０４；ＹＥＳ〜Ｓ１０７）を繰り返し、流量計４０３の検出流量ｙが正常な状態で所定時間だけ処理液の供給が行われた場合（途中、例外処理が行われ、所定時間内に復帰した場合を含む）には、処理液の供給を停止して制御動作を停止する（ステップＳ１０４；ＮＯ、正常停止）。また、例外処理の状態が所定時間以上継続した場合においても、処理液の供給を停止して制御動作を停止すると共にアラームを発報する（ステップＳ１０４；ＮＯ、異常停止）。
この結果、開閉弁４０１、４０４が閉じられ（図５の時刻ｔ_３、図６の時刻ｔ’_３）、また目標流量が０となることにより流量調節弁４０２も閉じられる（図５の時刻ｔ_４、図６の時刻ｔ’_４）。

そして、検出流量ｙが正常な状態で最後に決定したシステムパラメータを用いて計算した制御パラメータを流量制御部１８２のレジスタに記録し（図４のステップＳ１０９）、また最後に計算したシステムパラメータを流量制御部１８２のレジスタに記録して（ステップＳ１１０）ウエハＷへの処理液の供給動作を終える（エンド）。

本実施の形態に係る処理液供給装置によれば以下の効果がある。操作量ｕに応じて動作（弁体の開度）が調節される流量調節弁４０２を用いてウエハＷへ処理液を供給するにあたり、処理液の種類や供給条件、前記流量調節弁４０２などの機器の特性が与える影響がシステムモデルを介して把握され、その結果に基づいて操作量ｕを決定する。このため、処理液の種類や供給条件、機器の特性が変化した場合であっても、ユーザーによる手作業を必要とせず、処理液の供給を行いながら適切な流量調節を自動的に実行することができる。

ここで、前回のウエハＷの処理の終了時に取得したシステムパラメータを利用し、今回のウエハＷの処理開始時の操作量ｕ（流量調節弁４０２の開度ＭＶ_ｉｎｉ）を決定する手法は、前回と今回とで目標流量が変化する場合にも適用できる。例えば図７は、前回の目標流量ｒ’と、今回の目標流量ｒ（＜ｒ’）とが異なっている場合の例を示している。このとき、流量調節弁４０２を閉じた状態から流量調整を開始する場合と比較して、流量調節弁４０２の開度の変化幅が小さい場合には、初期開度調整を行わない場合（図６）と比べて早期に処理液の流量を安定化させることができる。

また、処理液の流量を調節する流量調節機構は流量調節弁４０２にて構成する場合に限定されない。図８は、処理液供給ユニット４００ａ内に流量調節機構であるシリンジポンプ４０６を設けた処理液供給装置の例を示している。シリンジポンプ４０６は、三方弁４０５の流路切り替えにより処理液供給源７０１に接続され、内部のシリンジを引いて処理液を充填する。そして、三方弁４０５の流路を供給ノズル４１側に切り替え、シリンジにより処理液を押し出して供給ノズル４１から吐出する。
この例の場合には、シリンジポンプ４０６内のシリンジの移動速度が流量を調節するための操作量ｕとなる。

次に、処理液供給装置により供給される処理液の例を挙げておくと、図１、図２に示す基板処理システム１の例では、有機性の汚れやパーティクルを除去するためのＳＣ１（アンモニア水と過酸化水素水との混合水溶液）、金属汚染の除去を行うＳＣ２（塩酸、過酸化水素水及び純水の混合溶液）、金属部材の表面の自然酸化物を除去するためのＤＨＦ（Diluted Hydrofluoric acid）などの各種薬液、またウエハＷに供給された薬液をリンス洗浄するためのＤＩＷ（Deionized Water）などのリンス液が処理液として用いられる。

さらに図２に示す処理ユニット１６は、ウエハＷの表面にレジスト膜や露光時の反射防止膜などの塗布膜を形成するための各種塗布液、露光されたレジスト膜を現像するための現像液の供給、ウエハを被接着体（例えば基板）接着するための液状接着剤の供給にも利用することができる。

そして本例の液処理装置を用いて処理液が供給される基板は、半導体ウエハに限定されるものではなく、ＦＰＤ（Flat Panel Display）のガラス基板などであってもよい。

Ｗ ウエハ
１ 基板処理システム
１６ 処理ユニット
１８ 制御部
１８１ システム同定部
１８２ 流量制御部
３０ 基板保持機構
４ 制御装置
４００、４００ａ
処理液供給ユニット
４０２ 流量調節弁
４０３ 流量計
４１ 供給ノズル

Claims (13)

1. 基板保持部に水平に保持され、鉛直軸周りに回転する処理対象の基板に対して処理液を供給する処理液供給装置において、
   操作量に応じて動作が調節されることにより、前記処理液を貯留する処理液貯留部から供給される処理液の流量を調節する流量調節機構と、前記流量調節機構にて流量調節された処理液を前記基板保持部に保持された基板へ向けて吐出する供給ノズルと、を備えた処理液供給部と、
   前記供給ノズルに供給される処理液の流量を検出する流量検出部と、
   前記操作量の時系列サンプル値、及び前記流量検出部にて検出された流量の時系列サンプル値に対し、各々システムパラメータを乗じて得られた乗算値の和に基づいて、前記供給ノズルから供給される処理液の推算流量を得るシステムモデルを同定するために、前記システムパラメータの決定を行うシステム同定部と、
   前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータを用いて新しい前記操作量を決定し、決定された操作量を前記流量調節機構へ出力する流量制御部と、を備えたことを特徴とする処理液供給装置。
2. 前記流量制御部は、前記供給ノズルから吐出される処理液の目標流量と、前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータとに基づいて前記操作量を決定することを特徴とする請求項１に記載の処理液供給装置。
3. 前記基板保持部には、異なる基板が入れ替わりに保持され、
   前記流量制御部は、先の基板と入れ替えて前記基板保持部に保持された次の基板に対して処理液の供給を開始する際に、前記先の基板への処理液の供給を停止する際に決定された前記システムパラメータを利用して前記操作量を決定することを特徴とする請求項２に記載の処理液供給装置。
4. 前記流量制御部は、前記供給ノズルから供給される処理液の流量の目標流量と、前記流量検出部にて検出された処理液の流量との差分値に基づいて、ＰＩＤ制御により前記操作量を決定し、前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータを用いて前記ＰＩＤ制御の制御パラメータを決定することを特徴とする請求項１に記載の処理液供給装置。
5. 前記流量制御部は、前記流量検出部にて検出された処理液の流量が予め設定した変動範囲を超えて変動した場合に、当該流量に替えて、前記変動が検出される前に決定されたシステムパラメータを用いて得られた前記推算流量から前記差分値を算出し、この差分値に基づいて前記操作量を決定することを特徴とする請求項４に記載の処理液供給装置。
6. 前記流量調節機構は、弁体の開度に応じて処理液の流量を増減する流量調節弁であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の処理液供給装置。
7. 基板保持部に水平に保持され、鉛直軸周りに回転する処理対象の基板に対して処理液を供給する処理液供給方法において、
   操作量に応じて動作が調節される流量調節機構を用い、前記処理液を貯留する処理液貯留部から供給される処理液の流量を調節する工程と、
   前記流量調節機構にて流量調節された処理液を前記基板保持部に保持された基板へ向けて吐出する工程と、
   前記供給ノズルに供給される処理液の流量を検出する工程と、
   前記操作量の時系列サンプル値、及び前記検出された流量の時系列サンプル値に対し、各々システムパラメータを乗じて得られた乗算値の和に基づいて、前記供給ノズルから供給される処理液の推算流量を得るシステムモデルを同定するために、前記システムパラメータを決定する工程と、
   前記システムパラメータを決定する工程にて決定されたシステムパラメータを用いて新しい前記操作量を決定し、決定された操作量を前記流量調節機構へ出力する工程と、を含むことを特徴とする処理液供給方法。
8. 前記操作量を決定するにあたり、前記供給ノズルから吐出される処理液の目標流量と、前記システムパラメータを決定する工程にて決定されたシステムパラメータとに基づいて前記操作量を決定することを特徴とする請求項７に記載の処理液供給方法。
9. 前記基板保持部には、異なる基板が入れ替わりに保持され、
   前記操作量を決定するにあたり、先の基板と入れ替えて前記基板保持部に保持された次の基板に対して処理液の供給を開始する際に、前記先の基板への処理液の供給を停止する際に用いた前記システムパラメータを利用して、前記操作量を決定することを特徴とする請求項８に記載の処理液供給方法。
10. 前記操作量を決定するにあたり、前記供給ノズルから供給される処理液の流量の目標流量と、前記検出された処理液の流量との差分値に基づいて、ＰＩＤ制御により前記操作量を決定し、前記システム同定部にて決定されたシステムパラメータを用いて前記ＰＩＤ制御の制御パラメータを決定することを特徴とする請求項７に記載の処理液供給方法。
11. 前記操作量を決定するにあたり、前記検出された処理液の流量が予め設定した変動範囲を超えて変動した場合に、当該流量に替えて、前記変動が検出される前に決定されたシステムパラメータを用いて得られた前記推算流量から前記差分値を算出し、この差分値に基づいて前記制御パラメータを決定することを特徴とする請求項１０に記載の処理液供給方法。
12. 前記流量調節機構は、弁体の開度に応じて処理液の流量を増減する流量調節弁であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか一つに記載の処理液供給方法。
13. 基板保持部に水平に保持され、鉛直軸周りに回転する処理対象の基板に対して処理液を供給する処理液供給装置に用いられるコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項７ないし１２のいずれか一つに記載された処理液供給方法を実行させるようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。

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